BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu Beberapa penelitan yang telah dilakukan sebelumnya oleh orang lain tentang penghitung detak jantung adalah yang pertama ditulis oleh saudari Nur Lintang Brillianova dari jurusan Teknik Elektromedik Politeknik Kesehatan Kemenkes Surabaya dengan judul alat penghitung BPM dengan menggunakan finger sensor berbasis microcontroller AT89s51. Alat ini belum dilengkapi pendiagnosa takikardi dan bradikardi. Penelitian yang kedua dilakukan oleh saudari Yessy Mega Jayanti dari jurusan Teknik Elektromedik Politeknik Kesehatan Kemenkes Surabaya dengan judul BPM portable with finger sensor berbasis microcontroller ATTiny 2313. Alat ini juga belum dilengkapi pendiagnosa takikardi dan bradikardi. Diantara alat buatan pabrik yang bisa digunakan untuk mengukur detak jantung adalah pulse oximeter. Untuk sekarang ini, pulse oximeter sudah banyak terdapat dipasaran, akan tetapi bagi sebagian orang harganya masih sedikit mahal dan belum dilengkapi pendiagnosa apakah detak jantung yang terukur masuk kategori normal atau abnormal. Maka dari itu penulis ingin membuat alat penghitung detak jantung yang lebih ekonomis harganya dan dilengkapi pendiagnosa apakah detak jantung yang terukur termasuk normal atau abnormal serta dilengkapi buzzer sebagai penanda perhitungan telah selesai.
4
5
2.2 Dasar Teori 2.2.1 Jantung Jantung
adalah
sebuah
organ
berotot
yang
memompa darah lewat pembuluh darah. Jantung memiliki peran yang penting dalam sistem peredaran darah. Ukuran jantung manusia kurang lebih sebesar kepalan tangan. Jantung hampir sepenuhnya diselubungi oleh paru-paru, tertutup oleh selaput ganda yang bernama perikardium, yang tertempel pada diafragma. Lapisan pertama menempel sangat erat pada jantung, sedangkan lapisan luarnya lebih longgar dan berair, untuk menghindari gesekan antar organ dalam tubuh yang terjadi karena gerakan memompa jantung[3].
Gambar 2.1 Jantung Manusia
Monitoring denyut jantung sendiri dapat dilakukan dengan dua cara yakni secara langsung ataupun tidak langsung. Secara langsung dengan cara meletakan elektroda langsung pada dada kiri dimana
6
jantung berada, sedangkan secara tidak langsung yaitu dengan memanfaatkan sensoring pada pembuluh darah. Untuk orang dewasa, detak jantung normal saat beristirahat adalah berkisar antara 60-100 BPM[1]. Adapun kelainan pada jantung ditinjau dari jumlah BPM-nya yaitu : a. Takikardi, adalah istilah yang merujuk pada laju detak jantung di atas normal atau diatas 100 kali per menit[4]. Detak jantung yang normal ialah 60-100 kali per menit di mana pada kecepatan tersebut, jantung memiliki cukup waktu untuk menampung darah sehingga darah yang dipompakan jantung juga dalam jumlah yang ideal. Hal yang berbahaya dari takikardi ialah jantung terlalu cepat berkontraksi sedangkan darah yang dipompakan hanya sedikit sehingga fungsi jantung tidak optimal. b. Bradikardi, adalah keadaan dimana jantung berdenyut lebih lambat dari normal. Dalam keadaan normal, jantung berdetak sekitar 60100 kali per menit. Pada keadaan bradikardi, denyut jantung dibawah 60 kali per menit[4]. Pada modul ini dugunakan microcontroller untuk pengukuran detak jantung dengan memanfaatkan finger sensor yang terdiri dari inframerah dan fotodioda yang nantinya diletakkan dibawah ujung jari. Finger sensor bekerja dengan memancarkan sinar inframerah yang kemudian akan dilewatkan oleh jari, setelah itu cahaya tersebut akan ditangkap oleh fotodioda. Karena ada pengaruh aliran darah dalam jari
7
kita maka akan timbul sinyal, dan sinyal itulah yang selanjutnya akan diproses hingga menjadi data yang bisa ditampilkan pada display. 2.2.2 Photoplethysmografi Photoplethysmografi adalah teknik untuk mendeteksi atau mengukur perubahan volume di dalam suatu organ. Volume darah dalam suatu organ akan berubah-ubah akibat dari pemompaan darah oleh jantung. Informasi dari sinyal perubahan volume darah ini dapat digunakan untuk menghitung detak jantung permenit karena setiap puncak gelombang yang terjadi berkorelasi dengan satu detak jantung. PPG atau photoplethysmograph merupakan instrumen plesthysmograph yang bekerja menggunakkan sensor optik[5]. Dalam teknik plesthysmograph dikenal dua macam mode konfigurasi pemasangan sensor, antara lain : a. Mode transmisi : sumber cahaya (LED) dipasang berhadapan dengan Fotodioda. Fotodioda mendeteksi perubahan cahaya yang dipancarkan oleh LED akibat penyerapan organ (darah, kulit dan daging) secara langsung.
Gambar 2.2 Mode Transmisi
8
b. Mode refleksi : dalam mode refleksi LED dan fotodioda dipasang berjajar. Sinyal atau perubahan cahaya yang dideteksi oleh fotodioda adalah sinyal pantulan atau refleksi.
Gambar 2.3 Mode Refleksi 2.3 Komponen Pesawat 2.3.1 Microcontroller ATmega8 Microcontroller merupakan sebuah sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering disebut single chip microcomputer. Lebih lanjut, microcontroller merupakan sistem komputer yang mempunyai satu atau beberapa tugas yang sangat spesifik, berbeda dangan microcomputer yang memiliki beragam fungsi. Perbedaan yang menonjol antara microcomputer dengan microcontroller (SCM) adalah pada penggunaan perangkat I/O dan media penyimpan program[6]. Microcontroller adalah sebuah system microprocessor dimana didalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, Clock dan peralatan internal lainnya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi
9
(teralamati) dengan baik oleh pabrik pembuatnya dan dikemas dalam satu chip yang siap pakai. Sehingga kita tinggal memprogram isi ROM sesuai aturan penggunaan oleh pabrik yang membuatnya. Teknologi yang
digunakan
pada
microcontroller
AVR
berbeda
dengan
microcontroller seri MCS-51. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computer), sedangkan seri MCS-51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computer). Microcontroller AVR dapat dikelompokkan menjadi empat kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, dan keluarga AT89RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori dan fungsifungsi tambahan yang dimiliki.
Gambar 2.4 IC ATmega8 Konfigurasi Pin : a. VCC Suplai tegangan digital. Besarnya tegangan berkisar antara 4,5 – 5,5V.
10
b. GND Ground. Referensi nol suplai tegangan digital. c. PORTB (PB7..PB0) PORTB adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 8-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang di pull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTB akan berada pada kondisi tri-state ketika reset aktif, meskipun clock tidak running.
d. PORTC (PC5.PC0) PORTC adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 7-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang di pull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTC akan berada pada kondisi tri-state ketika reset aktif, meskipun clock tidak running. e. PC6/RESET Jika Fuse RSTDISBL diprogram, maka PC6 berfungsi sebagai pin I/O akan tetapi dengan karakteristik yang berbeda
11
dengan PC5..PC0. Jika Fuse RSTDISBL tidak diprogram, maka PC6 berfungsi sebagai masukan reset. Sinyal LOW pada pin ini dengan lebar minimum 1,5 microsecond akan membawa microcontroller ke kondisi reset, meskipun clock tidak running. f. PORTD (PD7..PD0) PORTD adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 8-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang di pull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTD akan berada pada kondisi tri-state ketika reset aktif, meskipun clock tidak running. g. RESET Pin masukan reset. Sinyal LOW pada pin ini dengan lebar minimum 1,5 microsecond akan membawa microcontroller ke kondisi reset, meskipun clock tidak running. Sinyal dengan lebar kurang dari 1,5 microsecond tidak menjamin terjadinya kondisi reset. h. AVCC AVCC adalah pin suplai tegangan untuk ADC, PC3..PC0, dan ADC7..ADC6. Pin ini harus dihubungkan dengan VCC, meskipun ADC tidak digunakan. Jika ADC digunakan, VCC harus
12
dihubungkan ke AVCC melalui low-pass filter untuk mengurangi noise. i. AREF Pin Analog Reference untuk ADC. j. ADC7, ADC6 Analog input ADC. Hanya ada pada ATmega8 dengan package TQFP dan QFP/MLF. 2.3.2 LCD Display 2 x 16 LCD ( Liquid Crystal Display) adalah sebuah display yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian depan panel LCD yang terdiri dari banyak dot atau titik LCD dan microcontroller yang menempel di bagian belakang panel LCD yang fungsinya untuk mengatur titik-titik LCD sehingga dapat menampilkan huruf, angka, dan simbol khusus yang dapat terbaca.
Gambar 2.5 LCD karakter LCD 16 x 2 memiliki beberapa pin. Diantara pin LCD 16 x 2 tersebut adalah EN, RS, RW, yaitu untuk jalur EN dinamakan enable. Jalur ini difungsikan untuk memberitahu LCD bahwa anda sedang
13
mengirimkan sebuah data. Untuk mengirimkan data ke LCD, maka melalui program EN harus dibuat logika low “0” dan set pada dua jalur kontrol yang lain RS dan RW. Ketika dua jalur yang lain telah siap, set EN dengan logika “1” dan tunggu untuk sejumlah waktu tertentu ( sesuai dengan datasheet dari LCD tersebut ) dan berikutnya set EN ke logika low “0” lagi. Kemudian untuk jalur RS adalah jalur register select. Ketika RS berlogika low “0”, data akan dianggap sebagai sebuah perintah atau instruksi khusus ( seperti clear screen, posisi kursor, dll ). Ketika RS berlogika high “1”, data yang dikirim adalah data text yang akan ditampilkan pada display LCD. Selanjutnya yang terakhir jalur RW adalah jalur kontrol Read/Write. Ketika RW berlogika low (0), maka informasi pada bus data akan dituliskan pada layar LCD. Ketika RW berlogika high ”1”, maka program akan melakukan pembacaan memori dari LCD. Sedangkan pada aplikasi umum pin RW selalu diberi logika low ”0”. 2.3.2.1 Function Set Berfungsi untuk mengatur interface lebar data, jumlah dari baris dan ukuran font character. Tabel 2.1 Function Set RS R/W D7 0
0
0
D6
D5
D4
D3
0
1
DL N
D2
D1
D0
F
X
X
14
Keterangan : X = Don’t care DL = Mengatur lebar data DL = 1, Lebar data interface 8 bit ( DB7 s/d DB0) DL = 0, Lebar data interface 4 bit ( DB7 s/d DB4) Ketika menggunakan lebar data 4 bit, data harus dikirimkan dua kali N=1, Display dua baris N=0, Display satu baris 2.3.2.2 Entry Mode Set Berfungsi untuk mengatur increment/decrement dan mode geser. Tabel 2.2 Entri Mode Set RS
R/W D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
0
Keterangan : I/D = decrement dari alamat DDRAM dengan ketika kode karakter dituliskan ke DDRAM. I/D = “0”, decrement I/D = “1”, increment S = Geser keseluruhan display kekanan dan kekiri S=1, geser kekiri atau kekanan bergantung pada I/D
15
S=0, display tidak bergeser 2.3.2.3 Display On / Off Cursor Berfungsi untuk mengatur status display ON/OFF, cursor ON/ OFF dan fungsi Cursor Blink. Tabel 2.3 Display On / Off Cursor RS R/W D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
1
D
C
B
0
0
Keterangan : D = Mengatur display D = 1, Display is ON D = 0, Display is OFF Pada kasus ini data display masih tetap berada di DDRAM, dan dapat ditampilkan kembali secara langsung dengan mengatur D=1. C = 1, kursor ditampilkan C = 0, kursor tidak ditampilkan B = karakter ditunjukkan dengan kursor yang berkedip 2.3.2.4 Clear Display Berfungsi untuk mengatur perintah hapus layar. Tabel 2.4 Clear Display RS
R/W D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
16
2.3.2.5 Geser Cursor dan Display Geser posisi kursor atau display ke kanan atau kekiri tanpa menulis atau baca data display. Fungsi ini digunakan untuk koreksi atau pencarian display. Tabel 2.5 Geser Cursor dan Display RS
R/W D7
D6
D5
D4
D3
0
0
0
0
1
D/C R/L X
0
D2
D1
D0 X
2.3.3 Finger Sensor Inframerah dengan panjang gelombang 940 nm memancarkan cahaya dan melewati jari tangan, sisa cahaya yang dilewatkan jari akan ditangkap oleh fotodioda. fotodioda mendeteksi perubahan cahaya yang dipancarkan oleh inframerah akibat penyerapan oleh organ seperti darah, kulit dan daging secara langsung yang kemudian akan menjadi sinyal untuk dikuatkan oleh amplifier.
Gambar 2.6 Finger Sensor
17
Gambar 2.7 Peletakkan Sensor 2.3.4 Penguat LM 324 LM 324 adalah sebuah IC yang dapat digunakan sebagai penguat sinyal tegangan DC maupun AC. Penguat disini maksudnya adalah untuk memperbesar tegangan. Jadi jika kita ingin memperbesar tegangan atau sinyal bisa kita gunakan op-amp dengan ic LM 324. Kita bisa merubah tegangan dari mV (milivolt) menjadi V (volt) atau microVolt menjadi mV dan V.
Gambar 2.8 IC LM 324
18
2.3.5 Buzzer Buzzer adalah sebuah komponen elektronika yang cara kerjanya dengan mengubah listrik menjadi getaran suara. Pada dasarnya prinsip kerja buzzer hampir sama dengan loud speaker, jadi buzzer juga terdiri dari kumparan yang terpasang pada diafragma dan kemudian kumparan tersebut dialiri arus sehingga menjadi elektromagnet, kumparan tadi akan tertarik ke dalam atau keluar, tergantung dari arah arus dan polaritas magnetnya, karena kumparan dipasang pada diafragma maka setiap gerakan kumparan akan menggerakkan diafragma secara bolakbalik sehingga membuat udara bergetar yang akan menghasilkan suara. Buzzer penulis gunakkan sebagai tanda berakhirnya perhitungan.
Gambar 2.9 Buzzer 2.3.6 Penguat Non Inverting Penguat non inverting adalah suatu penguat yang keluarannya tidak berlawanan fasa dengan masukannya (sefasa)[7]. Rangkaian penguat ini berfungsi menguatkan tegangan hasil dari pancaran cahaya infrared yang diterima oleh fotodioda agar tegangan yang di hasilkan dapat di baca.
19
Gambar 2.10 Penguat Non Inverting Penguat non inverting ini menggunakan IC LM324. besarnya penguatan tegangan rangkaian penguat non inverting diatas tergantung pada besaran Ri dan Rf yang dipasang. Besarnya penguatan tegangan output dari rangkaian penguat tak membalik diatas dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut[8] : Av = 1 + ( )
(2-1)
Av = penguatan
Rf = resistansi feedback Ri = resistansi input Selain digunakan untuk penguatan, rangkaian diatas juga digunakan sebagai Low pass filter. Low Pass Filter adalah penyaring yang digunakan untuk meloloskan sinyal input dengan frekuensi dibawah frekuensi cut off dan akan melemahkan sinyal input dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off. Frekuensi cut-off (fc) dari filter lolos
20
bawah (Low Pass Filter) dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut[9] : Fc filter =
(2-2)
Fc = frekuensi cut off R = nilai resistor C = nilai kapasitor 2.3.7 Monostabil Rangkaian monostabil digunakkan agar logika yang masuk pada microcontroller adalah 5 volt dan 0 volt atau high dan low, selain itu juga untuk membatasi agar pada frekuensi tertentu bila terjadi 2 denyut akan tetap terbaca 1 denyut.
Gambar 2.11 Monostabil 2.3.8 Blok Rangkaian Minimum Sistem ATmega8 Untuk minimum sistem penulis menggunakkan IC ATmega 8 sebagai microcontroller karena ATmega 8 memiliki fitur diantaranya menggunakan daya yang rendah yaitu antara 4,5 – 5,5 volt dan juga memiliki EEPROM sebesar 512 byte sebagai tempat penyimpanan data
21
semi permanent yang apabila catu daya dimatikan, data tersebut tidak akan hilang.
Gambar 2.12 Minimum Sistem ATmega8 Minimum sistem diatas menggunakan LCD 16 x 2 yang dihubungkan dengan PORT B sebagai penampil. Output dari monostabil akan masuk ke microcontroller lewat PIND 4 atau kaki 6 IC untuk kemudian di counter.
